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Étude d’un cas de consommation réactive Cette étude de cas concerne une install

Étude d’un cas de consommation réactive Cette étude de cas concerne une installation industrielle équipée d’une batterie de compensation d’énergie réactive, solution que l’on met classiquement en place dans une installation industrielle présentant un facteur de puissance médiocre afin d’éviter les pénalités du fournisseur. En effet, les distributeurs d’énergie électrique facturent aux utilisateurs la surconsommation d’énergie réactive à partir d’un seuil correspondant à une tangente Φ de 0,4 au maximum et à un cos Φ de 0,93 au minimum. Pour établir un diagnostic des défaillances constatées, un expert en matière de réseaux électriques, a mené une campagne de mesures in situ à l’aide d’un analyseur de réseau*. Il s’agit de comprendre ce qui a conduit cette installation à une surconsommation d’énergie réactive. Dans un second temps, nous verrons les prescriptions proposées pour y remédier. Elles pourront, une fois affinées et validées par un bureau d’ingénierie pour l’amélioration de la qualité du réseau électrique, se décliner en solutions techniques. L’installation Un réseau de 63 kV alimente 17 transformateurs HTB-HTA, qui délivrent une puissance apparente totale de 36 MVA sous 20 kV à l’ensemble des équipements du site. La puissance souscrite auprès du distributeur ERDF est de 36 MW pour une sollicitation réelle de 16 MVA. On remarque sur la figure 11la présence des batteries de condensateurs assurant le relèvement du facteur de puissance. Figure 1. Représentation de l’installation étudiée avec une compensation d’énergie réactive Elles sont couplées en fonction de la charge sollicitée par les récepteurs de l’installation électrique. Plusieurs rangées de gradins de condensateurs peuvent alors être enclenchées suivant la puissance appelée sur le réseau par les charges électriques. La puissance totale de compensation réactive calculée et effective est de 650 kvar répartie sur 10 gradins de condensateurs mis en service manuellement sur le réseau 400 V - 50 Hz. 63 kV 36 MVA 20 kV 20kV 2 500 kVA 400 V Départ S21 Charge 17X Eclairage Puissance de compensation variable selon le type de charge Salle informatique La problématique L’industriel du site est amené à payer des pénalités au distributeur pour cause de consommation excessive d’énergie réactive durant la période allant du 1er novembre au 31 mars, malgré la présence d’une batterie de condensateurs en aval de chacun des transformateurs. D’autre part, des dysfonctionnements fréquents et aléatoires se manifestent sur différents équipements sensibles de l’installation électrique, se traduisant par le passage en mode by-pass de l’onduleur alimentant une salle informatique (dans ce cas, l’onduleur ne filtre plus les défauts de la tension d’alimentation du réseau) et la destruction de luminaires en divers endroits du site. Les techniciens de maintenance pensent que ces événements sont corrélés à l’enclenchement des gradins de condensateurs de relèvement du facteur de puissance. Des problèmes de résonance sur le réseau 20 kV du fait de la mise en service des condensateurs constituent alors l’hypothèse la plus probable. Les différentes étapes du diagnostic Étape 1 : sans les condensateurs Des relevés ont été réalisés, sur une nuit, à l’aide de l’appareil de mesure Qualistar+ (voir en encadré), sans l’usage des condensateurs. La surconsommation d’énergie réactive est concrètement constatée ; l’installation présente un faible cos f de 0,75. La charge alimentée en aval est relativement constante, le taux de distorsion harmonique en tension correct, inférieur à 5 %, et le taux d’harmonique en courant largement inférieur à 6 %. Les relevés présentés à la figure 2 ont été réalisés sur un départ de transformateur. La puissance réactive totale y est importante : 981 kvar ! La puissance déformante reste raisonnable, et affiche une valeur de 54 kVAd. Les amplitudes des harmoniques présents (les harmoniques 5 et 7) restent modérés, avec un taux de distorsion en tension de l’ordre de 4 %. Figure 2. Les relevés sur un départ de transformateur, sans condensateurs Étape 2 : avec les condensateurs Avec l’enclenchement des gradins de condensateurs, on constate l’amélioration du facteur de puissance sur le réseau 20 kV, qui passe de 0,75 à 0,96 (Figure 3), mais également une augmentation importante des taux de distorsion harmonique en courant et en tension (Figure 4). Figure 3. L’évolution du facteur de puissance Figure 4. L’évolution à la hausse des taux de distorsion harmonique en tension et en courant Le taux de distorsion en tension est passé de 5 à 8 % (6 % étant le taux maximal admis sur un réseau HTA) ! Le taux en courant oscille lui entre 14 et 15 % (Figure 5). La mise en service des condensateurs de compensation a cependant permis une diminution par 3 de la consommation d’énergie réactive (de 981,38 kvar à 330,68 kvar). Elle assure bien le rôle attendu, mais a sur le réseau électrique une répercussion préjudiciable en matière d’harmoniques. Lorsque toutes les batteries de condensateurs sont en service, les composantes harmoniques affectent l’onde de tension, qui ne présente plus une sinusoïde quasi parfaite. On note sur les graphes 6 issus du Qualistar+ sa forte dégradation en raison de la présence d’harmoniques d’amplitudes élevées aux rangs 5, 7, 11 et 13. Figure 5. Les relevés sur un départ de transformateur avec condensateurs Figure 6. Les relevés des tensions et courants triphasés sur un départ de transformateur avec condensateurs Étape 3 : l’analyse de l’impact de l’enclenchement des gradins de condensateurs Lors des réglages des gradins de condensateurs, un phénomène de résonance est observé. Le taux de distorsion harmonique en courant augmente considérablement (42 %), et contribue à la déformation de l’onde de tension (Figure 7). On note la présence prépondérante de l’harmonique de rang 11( Figure 8) . La consommation d’énergie réactive est très importante, avec une valeur proche de 506 kvar ; le facteur de puissance en est affecté, puisqu’il descend à 0,88. Figure 7. Les relevés des tensions et courants triphasés sur un départ de transformateur lors des réglages des gradins de condensateurs Figure 8. Les relevés sur un départ de transformateur avec condensateurs en cours de réglage La synthèse Le fonctionnement donné, pour une puissance active de 1 100 MW aux trois étapes du diagnostic, autorise les observations données à la figure 9. ÉTAPE PUISSANCE REACTIVE Q (EN KVAR) PUISSANCE REACTIVE D (EN KVAD) THD EN TENSION (EN %) FACTEUR DE PUISSANCE OBSERVATIONS Étape 1 Fonctionnement sans les condensateurs 981,30 54,05 4,3 0,75 Le facteur de puissance est non conforme (valeur inférieure à 0,95) La puissance réactive est élevée Étape 2 Fonctionnement avec les condensateurs 330,68 232,47 6,60 0,95 La valeur du facteur de puissance est améliorée et correspond à une valeur conforme La puissance réactive est divisée par 3 ! Étape 3 Fonctionnement avec les condensateurs en cours de réglage 506,73 627,97 17 0,88 La puissance réactive en augmentation affecte la valeur du facteur de puissance L’important taux de distorsion harmonique en tension traduit la dégradation de l’onde de tension. Les équipements sensibles peuvent être perturbés Les prescriptions de l’expert Si les batteries de condensateurs constituent un moyen efficace de lutte contre une consommation excessive d’énergie réactive, leur adaptation en fonction de la charge par la commutation de gradins est à l’origine des phénomènes de résonance constatés sur le réseau électrique. Une des solutions à ce problème consiste à placer sur le réseau inquiété un compensateur actif d’harmoniques. Le dimensionnement de ce dernier est fonction du nombre d’ampères déformants à composer pour chaque départ. Dans ce cas, l’énergie déformante due aux harmoniques de courant devra être compensée aux rangs les plus dommageables, ici les rangs 7 et 11. Une autre solution consiste à amortir le phénomène de résonance. Il s’agit d’augmenter le facteur d’amortissement du circuit résonnant RLC en plaçant une résistance d’amortissement en série de faible valeur (quelques milliohms afin de limiter la chute de tension) sur chacune des lignes des câbles d’alimentation des batteries de condensateurs. L’effet attendu est l’amortissement du phénomène de résonance, et donc la réduction de l’impact des harmoniques sur la tension. Des essais devront être effectués pour ajuster les valeurs des résistances à installer et optimiser cette solution technique. La figure 10 en donne le schéma ; la résistance Rc amortit les courants harmoniques au droit des condensateurs, limitant ainsi le phénomène de résonance. Figure 10. La solution d’amortissement du phénomène de résonance Résumé Qu’est-ce que la qualité de l’électricité ? La qualité de l’électricité recouvre les trois notions de continuité d’alimentation, de qualité de l’onde de tension, et de qualité de service : ● La continuité d’alimentation recouvre les coupures, ou interruptions, subies par les utilisateurs. Il existe un certain nombre de critères pour classer ces coupures, et il est notamment fait distinction entre coupures programmées et coupures non programmées, et entre coupures longues (supérieures à 3 minutes) et coupures brèves (entre 1 seconde et 3 minutes). Pour les coupures inférieures à une seconde, bien que les notions de coupure très brève ou de microcoupure soient parfois utilisées, on parle généralement de creux de tension (et cela relève alors plus de la qualité de l’onde de tension que de la continuité d’alimentation). ● La qualité de l’onde de tension recouvre les perturbations liées à la forme de l’onde de tension uploads/Ingenierie_Lourd/ exo-etude-d-x27-un-cas-de-consommation-d-x27-energie-reactive-dec-2021-1.pdf